رمزگشایی از تکامل شبکه متابولیک: چگونه ساختار پروتئینها، مسیر زندگی را شکل میدهد؟
آیا تا به حال به این فکر کردهاید که چگونه تمام فرایندهای شیمیایی پیچیده در سلولهای ما، که به آن شبکه متابولیک میگوییم، شکل گرفتهاند؟ این شبکه باستانی، که میلیاردها سال است حیات را روی زمین ممکن کرده، همیشه معمایی بزرگ برای دانشمندان بوده است. دو فرضیه اصلی برای توضیح منشأ آن وجود دارد: یکی میگوید ساختار این شبکه حاصل تکامل آنزیمهاست، و دیگری معتقد است که ساختار شبکه متابولیک ابتدا از واکنشهای غیرآنزیمی نشأت گرفته است. در حالی که تکامل متابولیک احتمالاً ترکیبی از هر دو بوده، شواهد فزایندهای به نفع فرضیه دوم است. به عنوان مثال، بسیاری از واکنشهای آنزیمی امروزی، شباهت زیادی به واکنشهای غیرآنزیمی دارند که توسط یونهای فلزی (که به وفور در رسوبات باستانی یافت میشوند) تسریع میشدند. همچنین، با وجود واگرایی قابل توجه در توالی آنزیمها، ساختار اساسی شبکه متابولیک به طرز شگفتانگیزی حفظ شده است. اما در عین حال، مسیرهای متابولیکی مدرن بسیار کارآمد هستند و به محیط پاسخ میدهند، که نشان میدهد در طول تکامل بهینهسازی شدهاند.
در همین راستا، گروهی از محققان برجسته، با بهرهگیری از رویکردی نوآورانه، به بررسی عمیقتری از این معمای تکاملی پرداختهاند. کار آنها، که بر روی مجموعهای از گونههای متنوع قارچی (زیررده Saccharomycotina) متمرکز شده، به ما کمک میکند تا درک کنیم که چگونه خواص متابولیکی مختلف، بر تکامل ساختاری آنزیمها در مقیاسهای بیولوژیکی گوناگون، از سطح ارگانیسم گرفته تا مسیرهای متابولیکی و حتی عناصر ساختاری آنزیمها، تأثیر میگذارند. بیایید نگاهی دقیقتر به یافتههای هیجانانگیز این تیم بیندازیم.
تکامل آنزیمها: فراتر از کارایی کاتالیزوری
مطالعات پیشین در زمینه تکامل آنزیمها، مدلی را حمایت میکنند که در آن مسیرهای متابولیک در کنار توپولوژیهای شیمیایی تکامل مییابند و سپس در طول زمان بهینهسازی میشوند. بررسیهای ژنومیک تطبیقی و تحقیقات ساختاری و عملکردی دقیق، تکامل آنزیمها را به عنوان یک فرآیند پویا توصیف کردهاند که تحت تأثیر نوآوریهای ژنتیکی، محدودیتهای بیولوژیکی، هزینههای انرژی و تعاملات اکولوژیکی شکل گرفته است.
تقسیمبندی عملکردی آنزیمها و دامنههای آنها به خانوادهها، بینشهای مهمی را در مورد میزان تکثیر و واگرایی ژنی در سراسر درخت حیات ارائه کرده است. علاوه بر این، مطالعات بر روی سازگاریهای محیطی نشان دادهاند که چگونه قابلیتهای متابولیکی از طریق گسترش خانوادههای ژنی و همچنین تنوع عملکردی آنزیمهای “هرکاره” (promiscuous enzymes) به دست میآیند یا از بین میروند. این یافتهها نشان میدهند که تکامل آنزیم از فشارهای انتخابی پیروی میکند که کارایی کاتالیزوری را با نیازهای متابولیکی سلولی و تخصیص منابع متعادل میکند.
پژوهشگران در این مطالعه، بر این فرض تکیه کردند که توانایی تولید سیستماتیک ساختارهای پروتئینی در طول گونههای مختلف، امکان ادغام دادههای ساختاری با وضوح بالا را در رویکردهای ژنومیک عملکردی فراهم میآورد و به درک فرآیندهای تکاملی کمک میکند. آنها با انتخاب ۲۶ گونه متنوع از زیررده Saccharomycotina، که دارای توالیهای ژنومی با برچسبگذاری دقیق، توصیفهای عملکردی آنزیمی، بازسازیهای شبکههای متابولیکی در مقیاس ژنوم و دادههای پروتئومیک هستند، این رویکرد را پیادهسازی کردند. ۱۱,۲۶۹ ساختار آنزیمی مورد بررسی آنها، بیشتر مسیرهای متابولیک، اصطلاحات GO (Gene Ontology) و کلاسهای آنزیمی موجود در شبکههای متابولیک این گونهها را پوشش میدهد. پرسش اصلی آنها این بود که آیا خواص متابولیکی که بین گونهها، مسیرها و کلاسهای آنزیمی متفاوت هستند، میتوانند به توضیح دامنه تنوع توالی در مناطق حفظشده ساختاری که در ارتوگروپهای مختلف مشاهده میشود، کمک کنند. به این ترتیب، آنها توانستند محدودیتهای متابولیکی را شناسایی کنند که بر تکامل ساختاری در مقیاسهای بیولوژیکی مختلف، از سطح ارگانیسم تا سطح مسیرها، آنزیمهای منفرد و زیرساختارهای آنزیمی، تأثیر میگذارند. آنها همچنین مسیرها، کلاسهای آنزیمی و در برخی موارد، عناصر ساختاری را که به این روابط کمک میکنند، شناسایی کردند.
تکامل در مقیاسهای مختلف: از ارگانیسم تا ساختار آنزیم
یافتههای این مطالعه تصویری جذاب از چگونگی تأثیر محیط متابولیکی بر تکامل آنزیمها در مقیاسهای مختلف ارائه میدهد:
- در مقیاس ارگانیسم: پژوهشگران دریافتند که تکامل ساختاری تحت تأثیر تخصصگرایی محیطی (niche specialization)، مانند ترجیحات تغذیهای، قرار دارد. این شامل تغییرات از متابولیسم اکسیداتیو به متابولیسم تخمیری بود، که یک ماژول متابولیکی غالب در مخمرها، سایر میکروارگانیسمها و موجودات عالیتر است. تغییر از تخمیر به تنفس (متابولیسم اکسیداتیو) یک تغییر متابولیکی عمده را نشان میدهد، زیرا تخمیر سریعتر و از نظر تخصیص منابع کمهزینهتر است، اما متابولیسم اکسیداتیو استوکیومتری بهتری برای تولید ATP دارد و محدودیتهایی را بر متابولیسم آنتیاکسیدانی اعمال میکند. این نشان میدهد که انتخابهای محیطی چگونه مسیرهای تکاملی را شکل میدهند.
- در مقیاس مسیر: دادههای تیم تحقیقاتی نشان میدهد که تکامل ساختاری آنزیم به عضویت در مسیر متابولیک، نوع واکنش کاتالیز شده و برهمکنش با سایر متابولیتها بستگی دارد. آنزیمهای درگیر در متابولیسم مرکزی کربن، اکسیدوردوکتازها و آنزیمهای متصلشونده به فلز، بیشترین محدودیت (یعنی کمترین تنوع) را نشان دادند، در حالی که هیدرولازها و آنزیمهای مسیرهای متابولیکی جانبیتر، مانند آنهایی که در متابولیسم چربی یا گلیکوزیلاسیون پروتئین عمل میکنند، بیشتر متنوع شده بودند. نکته جالب توجه این بود که پژوهشگران یک وابستگی متقابل بین حفظ آنزیم (enzyme conservation)، شار متابولیکی (metabolic flux) و فرآیندپذیری (processivity) گزارش کردند، اما دریافتند که تغییرپذیری شار و فرآیندپذیری مهمتر از مقدار کل آنها بود. این نشان میدهد که برای این ویژگیها، ماهیت پویای متابولیسم بیشتر از خواص ایستا، تکامل آنزیم را محدود میکند.
- در مقیاس ساختاری: این مطالعه تأیید کرد که آنزیمهای با فراوانی بالا به سمت ترکیب آمینواسیدی کمهزینهتر تکامل مییابند، بهینهسازی هزینه بسته به کلاس آنزیم و عنصر ساختاری متفاوت است، و جایگزینیهای آمینواسیدی متمایز در زمینههای مختلف غالب هستند. بیشترین بهینهسازی در مناطق سطحی آنزیمها اتفاق میافتد، در حالی که کمترین آن در جایگاههای اتصال (binding sites) است. علاوه بر این، ویژگیهای ساختاری روندهای خاصی را در جایگزینیهای آمینواسیدی نشان میدهند. به عنوان مثال، آلانین در هسته آنزیم رایجتر است، در حالی که باقیماندههای گلیسین در سطح آنزیمهای بسیار حفظشده، شایعتر هستند.
تنوع ساختاری و قابلیتهای متابولیکی جدید: مرزها و محدودیتها
قبلاً پیشنهاد شده بود که تنوع ساختاری آنزیمها میتواند منجر به قابلیتهای متابولیکی جدید شود. مجموعه دادههای این مطالعه با این امکان سازگار است، اما تأکید میکند که بیشتر تنوع ناشی از ساختار منجر به تغییر بین واکنشهای شیمیایی مشابه میشود. مجموعه دادههای این تیم هیچ نمونهای از تغییر درجه بالاتر در عملکرد آنزیم را شناسایی نمیکند و در سطح مولکولی، جایگاههای اتصال بسیار حفظ شدهاند و برای بهینهسازی هزینهها، تغییر نمیکنند. بنابراین، آنها تشکیل خوشههایی از حفظ ساختاری بالا را در جایگاههای اتصال مولکولهای کوچک مشاهده میکنند. دادههای این مطالعه نشان میدهد که این خوشهها میتوانند برای برچسبگذاری جایگاههای اتصال ناشناخته قبلی استفاده شوند، در حالی که برخی دیگر وظایف دیگری مانند برهمکنشهای پروتئین-پروتئین (PPI) را انجام میدهند.
در تمام تحلیلهای این پژوهش، تصویری سازگار به دست آمد که نشان میدهد رابطه بین ساختار و محدودیتهای تکاملی، تحت تسلط عملکرد کاتالیزوری است. به طور خاص، هیدرولازها در چندین ویژگی متفاوت هستند و از بیشتر روابط بسیار برجسته دیگر فرار میکنند. این امر به دلیل تمایز کلی ساختاری نیست، زیرا میانگین نرخ جهش (MR) آنها تفاوت قابل توجهی با سایر کلاسهای آنزیمی نداشت، و نه به دلیل تغییر در حفظ جایگاه اتصال بود. پژوهشگران حدس میزنند که یک عامل مؤثر در این وضعیت این است که هیدرولازها به کوفاکتور نیاز ندارند، بنابراین مکانیسم واکنش آنها در تکامل کمتر محدود میشود، و آنها در طیف متنوعی از فرآیندهای متابولیکی شرکت میکنند. در مقابل، حفظ بالای اکسیدوردوکتازها عمدتاً با نقش آنها در متابولیسم مرکزی توضیح داده میشود.
نتیجهگیری: تکامل آنزیم و توپولوژی شیمیایی
به طور کلی، تسلط این محدودیتهای کاتالیزوری در تمام لایههای مورد بررسی، با مدلی سازگار است که در آن آنزیمهای متابولیک در کنار توپولوژی شیمیایی شبکه متابولیک تکامل مییابند، و اجزای ساختاری درگیر در کاتالیز کمترین تغییر را میکنند. یک فرضیه جایگزین، که میگوید محدودیتهای ساختار آنزیم تغییرات در متابولیسم را هدایت میکند، منجر به جایگاههای اتصال انعطافپذیرتر در ساختارهای حفظشده میشد. این مفهوم، این احتمال را رد نمیکند که تغییرات ساختاری در آنزیمها میتواند باعث تغییر در ویژگی سوبسترا و تقویت فعالیتهای “هرکاره” شود که میتواند راه را برای تکامل مسیرهای متابولیک، مثلاً از طریق انتخاب یک واکنش “هرکاره”، هموار کند. این یافتهها رابطه بین عملکرد آنزیم، محیط متابولیک و تکامل ساختاری را روشن میکند و راهبردهای نوآورانهای را برای برچسبگذاری آنزیم و مهندسی شبکه متابولیک ارائه میدهد.
منبع :
The role of metabolism in shaping enzyme structures over 400 million years